CC BY
8
УДК 621.822.1; 621.892.8
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕОМАГНИТНЫХ ОПОР СКОЛЬЖЕНИЯ
А.С. Фетисов, Я. Запомель, М.Э. Бондаренко, В.О. Тюрин
Представлена структурная схема экспериментального стенда по исследованию реомагнитных опор скольжения. Предложена конструкция подшипникового узла, состоящая из опоры скольжения, смазываемой магнитореологической жидкостью, и электромагнитного актуатора. Проведен расчет основных рабочих характеристик подшипникового узла. Разработана информационно-измерительная система стенда, а также система управления электромагнитным актуатором. Проведено планирование экспериментальных исследований по влиянию параметров магнитореологических смазочных материалов на рабочие характеристики опор скольжения.
Ключевые слова: подшипник скольжения, магнитореологический смазочный материал, экспериментальная установка, система управления, трибомехатроника.
Трибомехатроника возникла на стыке трибологии и мехатроники и начала формироваться как самостоятельная область знаний по мере проникновения технологий автоматизации и интеллектуализации в сферу триботехнических устройств. Одной из актуальных задач трибомехатроники является создание опорных узлов высокоскоростных роторных агрегатов, обладающих малыми габаритными характеристиками и обеспечивающих низкую вибронагруженность опорных элементов [1]. Применение подшипников скольжения в тяжелонагруженных опорах в большинстве случаев является верным. В этом случае необходимо учитывать недостатки подобного вида опор, а именно неустойчивость работы подшипника в переходных режимах работы.
Управление характеристиками смазочного материала является актуальной областью исследований в трибомехатронике. Применение реомагнитных жидкостей в качестве смазочного материала опор скольжения может повысить параметры виброустойчивости подшипника скольжения [2-5]. Теоретические исследования показывают, что применение ферромагнитных и магнитореологических смазочных материалов в опорах скольжения обеспечивают более высокие рабочие характеристики по сравнению с подшипниками, смазываемыми обычной смазкой [6-9].
В рамках проводимого исследования была разработана схема реомагнитного подшипникового узла (рис. 1). В состав опорного узла входят два основных компонента: опора скольжения и блок управления. В состав опоры входят подшипник скольжения, смазываемый реомагнитной жидкостью, и электромагнитный актуатор, который представляет собой управляемый при помощи ШИМ сигнала соленоид. В состав блока управления помимо ЦАП и АЦП входит регулятор, компоненты и характеристики которого определяет исследователь.
Рис. 1. Структурная схема подшипникового узла
376
Для проведения экспериментальных исследований и выявления закономерностей работы реомагнитных опор скольжения авторами была разработана следующая конструкция стенда (рис. 2).
Экспериментальный стенд представляет собой основание 1 с установленным на нем электродвигателем АИР63А2УЗ. Вал электродвигателя 2 соединен через муфту 3 с ротором 4, представляющим собой ступенчатый вал. Ротор установлен в исследуемые опоры скольжения в корпусах 5. Для снятия значений перемещений ротора в стойках 6 во взаимоперпендикулярных направлениях установлены вихретоковые датчики перемещения 7. В состав стенда сходят две пары датчиков.
Рис. 2. Экспериментальный стенд
Представленная конструкция экспериментального стенда позволяет при едином корпусе подшипникового узла изучать различные конструкторские решения подшипников скольжения с реомагнитным смазочным материалов путем изменения геометрических размеров втулок подшипника скольжения, а также характеристик электромагнитного актуатора и их взаимного расположения в корпусе. На рис. 3 представлена конструкция исследуемых реомагнитных опор скольжения.
3 8 1 2 7 6 ^5
Рис. 3. Реомагнитная опора скольжения
В корпусе 1 установлена втулка подшипника скольжения 2, крышка 3 и крышка 4 с электромагнитным актуатором 5. Электромагнитный актуатор представляет собой соленоид с 880 витками из медного провода марки ПЭВ-2 диаметром 0,5 мм. На валу 6 установлена втулка-цапфа 7, которая стопорится гайкой 8. Для обеспечения гарантированного радиального зазора в 85 мкм конструктивно предусмотрена посадка с зазором H7/b9.
Принцип работы представленной реомагнитной опоры заключается в следующем: при подаче напряжения на электромагнитный актуатор возникает магнитный поток, который идет по магнитопроводу, включающему в себя корпус подшипниковой опоры, крышку, вал, цапфу и втулку подшипника скольжения. В виду малости зазора подшипника скольжения можно сделать допущение о том, что индукция в зазоре и в корпусе одинакова В=Вк=Вз. Магнитное поле в зазоре влияет на магнитные частицы смазки, выстраивая их в цепи вдоль линий магнитного поля, что изменяет вязкость смазки, таким образом, оказывая влияние на динамические свойства смазки.
377
Магнитная индукция согласно теореме полного тока может быть выражена следующим образом [10]:
mom ст , mom
B _ NNI ст + Ь10Иж (1)
I l h )
где N - число витков электромагнитной катушки; I - сила тока в проводнике; m0 - магнитная постоянная; mcm - относительная магнитная проницаемость стали; l - длина пути магнитного потока в стали; m:>K - относительная магнитная проницаемость жидкости; h - зазор подшипника скольжения.
В состав информационно-измерительной системы экспериментальной установки входят следующие элементы: датчики перемещения, контроллер и система управления электромагнитным актуатором. Для сбора информации были использованы вихре-токовые датчики перемещения (рис. 4, а). Данный тип датчиков позволяет при относительно высокой точности отслеживать виброперемещения вала. В качестве контроллера было использовано шасси National Instruments CDAQ с блоками аналогового входа и выхода (рис. 4, б).
а б
Рис. 4. Информационно-измерительная система экспериментального узла
Для управления электромагнитным актуатором авторами предлагается система управления, принцип работы которой основывается на широтно-импульсном регулировании величины проходящего через соленоид тока. Основной частью системы управления является полевой транзистор и драйвер полевого транзистора, на вход которого подается ШИМ-сигнал с блока N19401 шасси CDAQ. Также в системе управления используется разрядный диод, который подключен параллельно соленоиду и обеспечивает рассеяние энергии магнитного поля соленоида при отключении в ней тока. Схема системы управления электромагнитным актуатором представлена на рис. 5.
Рис. 5. Схема системы управления электромагнитным актуатором
Представленная выше конструкция реомагнитного подшипникового узла позволяет провести комплексные экспериментальные исследования влияния параметров реомагнитных смазочных материалов на характеристики работы опоры скольжения.
Проведение экспериментальных исследований планируется по двум основным направлениям: влияние характеристик магнитного поля, приложенного к магнитореологиче-ской жидкости, на устойчивость работы опоры в переходных режимах и влияние параметров магнитореологической жидкости на работу опоры на рабочих частотах. К переходным режимам работы относятся режим пуска/останова агрегата, разгон стенда через зону резонансных колебаний. Планируется получить экспериментальные данные, подтверждающие значительное увеличение грузоподъемности и устойчивости работы при высоких эксцентриситетах и относительно низких скоростях вращения.
При планировании экспериментальных исследований учитывались такие рабочие характеристики стенда, как частота вращения вала стенда и величина силы тока, проходящего через электромагнитный актуатор. Диапазон расчетной частоты вращения составляет от 40 Гц до 120 Гц. Данный диапазон обусловлен наличием в нем двух критических частот и, как следствие, двух резонансных зон. Частотный регулятор стенда позволяет задать максимальное значение частоты вращения, равное 200 Гц. Величина силы тока варьируется от 0 до 1 ампера, что соответствует диапазону индукции магнитного поля в зазоре опоры скольжения от 0 до 1 Тл. Максимальное расчетное значение подаваемого тока составляет 2 А. Планируется разбиение каждого из представленных параметров на десять значений, что соответствует 100 комбинациям при проведении полного факторного эксперимента. Важным качеством верно проведенного эксперимента является повторяемость. Следственно, необходимо провести несколько измерений одного и того же сочетания факторов эксперимента. Чем выше количество проведенных параллельных опытов, тем выше точность эксперимента. Минимальным числом параллельных опытов для одного сочетания факторов примем семь. Таким образом, общее количество опытов в эксперименте составит семьсот [11].
Экспериментальные исследования влияния параметров магнитореологической жидкости на рабочие характеристики опор скольжения являются важнейшим этапом проведения научных исследований. Предложенная конструкция имеет ряд достоинств: простота изготовления, дешевизна, повторяемость и т.д. При этом стенд имеет огромные возможности по модернизации как механической части (применение электромоторов с большей частотой вращения, применение модального молотка, изменение форм-фактора электромагнитного актуатора и т.д.), так и в части системы управления (увеличение скорости переходных процессов, возможность изменения направления течения тока). Планируемые экспериментальные исследования должны показать снижение виб-ронагруженности и увеличение несущей способности опоры скольжения в переходных режимах работы установки.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-38-00465.
Список литературы
1. Савин Л. А., Соломин О.В. Моделирование роторных систем с опорами жидкостного трения: монография. М.: Машиностроение-1, 2006. 444 с.
2. Smart materials: properties, design and mechatronic applications / Spaggiari A., Castagnetti D., Golinelli N., Dragoni E., Mammano S.G. // Journal of materials: design and application. Proc. IMechE Part L, 2016. Vol. 0(0). P. 1-29.
3. Ghaffari A., Hashemabadi S.H., Ashtiani M. A review on the simulation and modeling of magnetorheological fluids // Journal of intelligent material systems and structures, 2015. Vol. 26 (8). P. 881-904.
4. Rheology of perfluorinated polyether-based MR fluidswith nanoparticles / Jonsdottir F., Gudmundsson K.H., Dukman T.B., Thorsteinsson F., Gutfleisch O. // Journal of intelligent material systems and structures, 2010. Vol. 21. P. 1051 - 1060.
5. Ashtiani M., Hashemabadi S.H. The effect of nanosilica and nano-magnetite on the magnetorheological fluid stabilization and magnetorheological effect // Journal of intelligent material systems and structures, 2015. Vol. 26 (14). P. 1887 - 1892.
6. Montazeri H. Numerical analysis of hydrodynamic journal bearings lubricated with ferrofluids // Engineering Tribology. Proc. IMechE, 2007. Vol. 222. Part J. P. 51 - 60.
7. Osman T.A., Nada G.S., Safar Z.S. Static and dynamic characteristics of magnetized journal bearings lubricated with ferrofluid // Tribology international. Elsevier, 2001. Vol. 34. P. 369 - 380.
8. Lin J.R. Li P.J., Hung T.C. Lubrication performances of short journal bearings operating with non-newtonian ferrofluids // Z. Naturforsch, 2013. Vol. 68a. P. 249 - 254.
9. Tipei N. Theory of lubrication with ferrofluids: application to shortbearings // Journal of lubrication, 1982. Vol. 104 (4). P. 510 - 515.
10. Ломоносов В.Ю., Поливанов К.М., Михайлов О.П. Электротехника. М.: Энергоатомиздат, 1990. 400 с.
11. Шенк Х. Теория инженерного эксперимента. Издательство «Мир», 1972.
384 с.
Фетисов Александр Сергеевич, стажер-исследователь, fetisov57rus@,mail.ru, Россия, Орел, Орловский государственный университет имени И.С. Тургенева,
Запомель Ярослав, профессор, jaroslav.zapomel@vsb.cz, Чехия, Острава, Технический университет Острава,
Бондаренко Максим Эдуардович, младший научный сотрудник, maxbondarenko22@yandex.ru, Россия, Орел, Орловский государственный университет имени И.С. Тургенева,
Тюрин Валентин Олегович, младший научный сотрудник, v7a7l@mail.ru, Россия, Орел, Орловский государственный университет имени И.С. Тургенева
TEST RIG FOR RHEOMAGNETIC FLUID-FILM BEARINGS STUDY A.S. Fetisov, J. Zapomel, M.E. Bondarenko, V.O. Tyurin
The paper presents a structure diagram of a test rig to study rheomagnetic fluid-film bearings. Design of the bearing is proposed which consists of a fluid-film bearing lubricated with a magnetorheological fluid and electromagnetic actuator. Calculation of basic operational characteristics was done. A measuring system was developed for the rig including a control cyctem for the actuator. Plan of experiemtal studies was developed for study of influence ofparameters of magnetorheological parameters on operational characteristics offluid-film bearings.
Key words: fluid-film bearing, magnetorheological lubricant, test rig, control system, tribomechatronics.
Fetisov Alexander Sergeevich, trainee researcher, fetisov57rus@,mail.ru, Russia, Orel, Orel State University,
Yaroslav Zapomel, professor, jaroslav. zapomel@ysb. cz, Czech Republic, Ostrava, VSB - Technical University of Ostrava,
Bondarenko Maxim Eduardovich, juniorresearcher, maxbondarenko22@yandex. ru, Russia, Orel, Orel State University,
Tyurin Valentin Olegovich, junior researcher, v7a7l@mail.ru, Russia, Orel, Orel State University
